Ciepło i prąd z jednego źródła. Przegląd zastosowań turbin gazowych w przemyśle

Turbina gazowa to wirnikowa maszyna cieplna, która zamienia energię zawartą w paliwie na pracę mechaniczną, a następnie na energię elektryczną. Jej konstrukcja składa się z trzech kluczowych elementów: sprężarki (najczęściej wielostopniowej), komory spalania oraz turbiny napędowej połączonej wałem ze sprężarką.

Budowa i zasada działania turbiny gazowej

Zasada działania opiera się na cyklu termodynamicznym Braytona-Joule’a. Proces przebiega następująco:

1. Sprężanie: Powietrze atmosferyczne jest zasysane przez wlot i trafia do sprężarki, gdzie następuje wzrost jego ciśnienia oraz temperatury poprzez ściśnięcie cząsteczek gazu.
2. Spalanie: Sprężone powietrze trafia do komory spalania, gdzie miesza się z paliwem (np. gazem ziemnym), po czym dochodzi do zapłonu mieszanki.
3. Rozprężanie: Gorące spaliny o wysokiej energii kinetycznej przepływają przez łopatki turbiny, wprawiając wał w ruch obrotowy.

Obracający się wał napędza generator produkujący prąd, a gorące spaliny opuszczające układ mogą być wykorzystane do produkcji pary, gorącej wody lub chłodu. Współczesne turbiny gazowe osiągają sprawność w cyklu otwartym na poziomie około 46% (dla dużych jednostek), a ich zaletą jest możliwość szybkiego rozruchu i uzyskania pełnego obciążenia w czasie od kilku do kilkudziesięciu minut.

Czym różni się turbina gazowa od silnika gazowego?

Choć oba urządzenia służą do produkcji energii, różnią się fundamentalnie konstrukcją i charakterystyką pracy.

• Zasada działania: Silnik gazowy to maszyna tłokowa, w której spalanie odbywa się cyklicznie w cylindrach. Turbina działa na zasadzie ciągłego przepływu gazów i ma znacznie prostszą budowę z mniejszą liczbą ruchomych elementów.
• Charakterystyka: Turbinę można porównać do samochodu wyścigowego – jest lekka, o wysokiej gęstości mocy i bardzo wydajna przy dużych obciążeniach. Silnik przypomina ciężarówkę – jest cięższy, ale charakteryzuje się wysoką sprawnością nawet przy mniejszych mocach.
• Paliwo i emisja: Turbiny wyróżniają się większą elastycznością w wyborze paliwa (w tym możliwością współspalania wodoru) oraz niższą emisją niektórych zanieczyszczeń. Silniki lepiej sprawdzają się przy spalaniu paliw takich jak biogaz.

Szerokie spektrum zastosowań turbin gazowych w przemyśle i energetyce

Turbiny gazowe znajdują zastosowanie w wielu gałęziach gospodarki, gdzie kluczowa jest niezawodność oraz zapotrzebowanie na energię cieplną o wysokich parametrach.

1. Układy gazowo-parowe (CCGT): Jest to klucz do najwyższej sprawności w energetyce zawodowej. Gorące spaliny z turbiny gazowej trafiają do kotła odzyskowego, wytwarzając parę napędzającą dodatkową turbinę parową. Takie układy osiągają sprawność rzędu 60% i są stosowane w dużych elektrowniach, np. w Płocku (PKN Orlen) czy w Dolnej Odrze.
2. Przemysłowa kogeneracja (CHP): To najpopularniejsza aplikacja w przemyśle. Gorące spaliny są kierowane na wymiennik ciepła, zamieniając się w parę technologiczną, gorącą wodę, wodę lodową lub olej termalny. Rozwiązanie to jest powszechnie stosowane w przemyśle papierniczym, chemicznym oraz w ciepłownictwie systemowym, maksymalizując wykorzystanie energii paliwa.
3. Suszenie bezpośrednie (Przemysł ceramiczny): Specyficznym zastosowaniem, w którym turbiny sprawdzają się doskonale, jest wykorzystanie czystych spalin bezpośrednio w procesach technologicznych, np. w suszarniach rozpyłowych do produkcji proszku ceramicznego. Eliminuje to straty na wymiennikach ciepła. Takie zastosowanie wykorzystuje między innymi fabryka Cerrad.
4. Zasilanie awaryjne i praca szczytowa (OCGT): Turbiny w cyklu otwartym (bez odzysku ciepła) są idealne jako źródła szczytowe. Dzięki możliwości osiągnięcia pełnej mocy w zaledwie kilka minut (np. poniżej 5 minut), służą do bilansowania sieci i jako zasilanie awaryjne dla dużych obiektów przemysłowych.

Eneria – wykorzystanie turbin gazowych w przemyśle i energetyce

W obliczu rosnącej roli Odnawialnych Źródeł Energii (OZE), które charakteryzują się niestabilnością produkcji, turbiny gazowe pełnią kluczową funkcję stabilizującą. Szybki start i elastyczność pozwalają na kompensowanie spadków mocy z farm wiatrowych czy fotowoltaicznych.

Firma Eneria rozwija zaawansowane hybrydowe rozwiązania energetyczne , które integrują zalety różnych technologii. Systemy te mogą łączyć:

• Turbiny gazowe Solar Turbines lub agregaty prądotwórcze z silnikiem gazowym CATERPILLAR jako stabilne źródło zasilania.
• Panele fotowoltaiczne i termiczne panele słoneczne do produkcji czystej energii.
• Pompy ciepła jako wysokowydajne źródło ciepła.
• Magazyny energii, które gromadzą nadwyżki z OZE, zapewniając dostęp do energii w nocy lub w pochmurne dni.

Takie podejście zwiększa niezawodność zasilania (nawet przy awarii sieci), generuje oszczędności finansowe i znacząco redukuje oddziaływanie na środowisko, wpisując się w trendy dekarbonizacji.

Na polskim rynku Eneria, będąca wyłącznym dystrybutorem rozwiązań Caterpillar i Solar Turbines, realizuje nowatorskie projekty oparte na turbinach gazowych, często w kompletnych i gotowych zabudowach kontenerowych.

Rozwiązania te znajdują zastosowanie w przemyśle, energetyce zawodowej oraz sektorze komunalnym, gdzie kluczową rolę odgrywa efektywność energetyczna, niskie emisje oraz maksymalizacja wykorzystania energii odpadowej.

Jednym z modelowych przykładów zastosowania turbiny w przemyśle jest inwestycja zrealizowana dla firmy Cerrad w Starachowicach, jednego z wiodących producentów płytek ceramicznych w Europie. Celem projektu było zasilenie nowej linii produkcyjnej oraz zwiększenie efektywności energetycznej w ramach strategii zrównoważonego rozwoju. W tym celu zastosowano turbinę gazową Solar Taurus 60 o mocy elektrycznej 5 MW, wyposażoną w system spalania SoLoNOx, co pozwala spełniać rygorystyczne wymogi emisji. Jest to pierwsze tego typu rozwiązanie w Polsce w branży ceramicznej. Realizacja tego projektu pozwoliła utrzymać wysokiej jakości produkty w konkurencyjnej cenie, pomimo tendencji wzrostowej cen energii elektrycznej.

Unikalną cechą instalacji jest bezpośrednie wykorzystanie gorących spalin z turbiny w suszarniach rozpyłowych do suszenia szlamu ceramicznego (proszku). Dzięki temu sprawność całego układu kogeneracyjnego przekracza 80%. System pokrywa 100% zapotrzebowania zakładu na energię cieplną i od 60% do 100% zapotrzebowania na energię elektryczną. Inwestycja pozwala na redukcję emisji CO2 o 33 tysiące ton rocznie oraz oszczędność energii pierwotnej na poziomie 149 tysięcy GJ rocznie.

W latach 2026–2027 Eneria zrealizuje kolejny strategiczny projekt – dla ECO S.A., obejmujący budowę nowego turbozespołu gazowego w Opolu. Turbina Solar Taurus 70  o mocy ok. 8 MWe zastąpi wysłużoną jednostkę, która przepracowała 27 lat (ok. 150 000 godzin). Turbina w zabudowie kontenerowej zostanie zainstalowana wewnątrz istniejącego, modernizowanego budynku oraz zintegrowana z pracującym już kotłem odzysknicowym, tworząc spójny i nowoczesny układ energetyczny.  Zastosowanie technologii wysokosprawnej kogeneracji umożliwi równoczesną produkcję energii elektrycznej i cieplnej, znacząco zwiększając efektywność systemu.

Projekt stanowi ważny element dywersyfikacji źródeł energii dla ECO S.A. i jest odpowiedzią na potrzebę unowocześnienia lokalnej infrastruktury energetycznej. Dzięki spalaniu gazu ziemnego nowa instalacja zredukuje emisję zanieczyszczeń, zwiększy efektywność energetyczną oraz zapewni stabilność dostaw ciepła dla miasta Opole i okolic. Inwestycja warta blisko 60 mln zł ma zostać oddana do eksploatacji pod koniec 2027 roku.

Eneria, realizując oba projekty, podkreśla swoją rolę jako lidera w zakresie nowoczesnych, niskoemisyjnych rozwiązań dla przemysłu i energetyki w Polsce. Firma konsekwentnie wspiera przedsiębiorstwa w procesie transformacji energetycznej, zapewniając rozwiązania oparte na najwyższych standardach efektywności, niezawodności i ekologii.

Podsumowanie

Turbiny gazowe to technologia, która ewoluowała do roli filaru nowoczesnego przemysłu i energetyki. Dzięki wysokiej gęstości mocy, niezawodności oraz możliwości pracy w wysokosprawnej kogeneracji, stanowią one optymalne rozwiązanie dla energochłonnych przedsiębiorstw. W połączeniu z technologiami OZE i magazynami energii, turbiny gazowe tworzą stabilny pomost transformacji energetycznej, umożliwiając dekarbonizację przy zachowaniu bezpieczeństwa dostaw energii.

Materiał sponsorowny